一种新的抗JPEG压缩半脆弱图像水印算法

王祥青，张锋辉，赵江东

一种新的抗JPEG压缩半脆弱图像水印算法

*王祥青，张锋辉，赵江东

(皖西学院信息工程学院，安徽，六安 237012)

半脆弱水印因为在多媒体内容认证方面的重要作用而受到人们密切的关注。为了能够区分恶意篡改与偶然操作，半脆弱水印要求对常用的内容保护图像操作应具有一定的鲁棒性。由于JPEG压缩在图像处理的广泛应用，对恶意篡改攻击具有较高的检测能力，半脆弱水印研究的一个重要问题是提高抗JPEG压缩性能。该算法首先图像小波高频子带系数LH2,HL2分别进行分块，然后算出分别每块的系数的能量值，根据能量系数之间的大小关系嵌入水印信息。实验测试表明，所提出的算法不会影响图像的主客观质量，有很好的抗JPEG压缩性能，而且可嵌入的水印信息量大，并且能够准确确定恶意攻击的位置。

半脆弱水印；JPEG；鲁棒性; 小波高频系数

随着信息技术和多媒体技术的快速发展及应用，对多媒体产品的保护已经迫切需要解决，如图像、声音、视频等多媒体信息。对多媒体产品的保护主要分两个方面:一是产品版权保护问题;二是产品认证问题，及真实性，当发生篡改时可以提示。数字水印是版权保护中重要的应用之一，它具有很好的鲁棒性和安全性。应用于多媒体信息真实性认证的数字水印，即为脆弱水印，其对所有的修改都比较敏感，所以不能满足实际应用中的需要。因此提出了一种半脆弱水印，它具有两个方面的特性，一是对恶意篡改具高度敏感性，二是对内容保护操作鲁棒性、不可见性、安全性，所以它更能适应多媒体内容在网络传送中实际的要求。半脆弱水印既要对恶意操作具有高度的敏感，又要对常规的声音处理(如加噪等)、图像处理（如剪切、JPEG 压缩等)具有较好的鲁棒性。

现有关于图形水印JPEG压缩算法主要可分两类：一是能够容忍一定程度的JPEG压缩，并能够检测信息载体中恶意篡改的半脆弱水印算法[1,2]；二是将水印融入到图像的压缩算法中，在压缩的过程中嵌入水印，在解压的过程中提取水印，用来对JPEG图像进行精确认证的脆弱水印算法[3,4]。早期的JEPG图像认证水印算法为了嵌入水印的载体更具有透明性，选定在DCT系数上嵌入水印信息[4]但是存在严重的安全性隐患。Li[3]为了增强图像认证的安全性，提出了新的脆弱水印方案。该算法首先将DCT系数分为两类：嵌入水印系数和非嵌入水印系数。利用非水印嵌入系数生成水印信息，然后将生成的水印信息嵌入到水印嵌入系数中，从而使保护了图像块的所有DCT系数。Zhang[5]等人提出了一种根据JPEG压缩过程中的不变参量方法，利用小波特性可以检测图像篡改区域，并能够准确的定位。Hu[6]为了和提高算法的安全性和减少运算量，提出了一种基于小波变换的脆弱水印算法，该算法主要创新点在于提升格式参数化整数小波系数，但是此方案在抗JPEG压缩达不到令人满意的效果。

为了提出一种有效的抗JPEG压缩的半脆弱水印算法，本文在文献[7]的基础上提出了一种新的基于DWT变换的半脆弱水印算法，该算法思想首先对图像进行一层DWT小波变换，在把图像变换出的高频系数部分（LH1和HL1）进行分块，然后分别算出每小块的能量值，根据能量值大小关系嵌入水印。实验结果表明，该算法有对JPEG压缩有较好的鲁棒性，并且有精确的篡改定位检测能力，算法性能较好。

1 图像小波变换

小波变换在图像处理中有其广泛的用途，其中图像数字水印是重要的研究领域之一。其基本原理是把图像进行多分辨率分解，分解成不同频率子带图像，在对根据每个子带图像的特点进行处理。图像小波分解的正变换可以依据二维小波变换按如下方式扩展，在变换的每一层次，图像都被分解为4个四分之一大小的图像。对一幅图像的二级小波分解示意如图 1 所示。

图1 二层小波分解示意图

Fig. 1 The the waveletdecomposition of image

如图1所示。图像经过小波变换分解后，分解后的图像主要能量集中在低频频带，它包含了这视觉重要部分；而图像的高频频带是图像的细节部分，它所含能量较少，分布在水平高频(HL)、垂直高频(LH)、对角高频(HH)三个子图中，主要包含了原始图像的边缘信息和纹理信息，主要反映了图像的轮廓。基于小波变换的数字水印方案是把水印信息嵌入到低频子带或嵌入到高频子带系数中。低频子带携带了图像的主要能量信息，从而可以嵌入较多的水印信息，使水印具有较好的鲁棒性，但图像低频子带包含了原始图的主要能量，所以嵌入水印信息后图像失真。相反，把水印嵌入到高频子带携带具有较好的不可见性，因为它主要包含图像的边缘和纹理信息，人眼对这这些信息不敏感，水印嵌入到高频子带后，可以避免引起图像的失真，但水印很容易遭到破坏。因此，不可见性与鲁棒性是信息隐藏算法性能好坏的重要判定依据，有时要在鲁棒性和图像的失真度之间适当折衷。

因此本文所选择嵌入水印方案是选择二级小波分解的高频部分，这样保证图像的鲁棒性，又不会引起图像的太大失真变化。在文献[8]中，Li与Huang根据高频小波相邻系数间的大小关系在JPEG压缩之后绝大部分未发生变化这一现象来嵌入和提取水印。本文在文献[8]的基础上提出基于高频系数能量关系来嵌入和提取水印。

2 抗JPEG压缩的半脆弱图像水印算法

2.1 水印嵌入

文章的方案所选用的原始图像大小为 512×512，水印是二值图像，大小为64×64。首先将嵌入原始水印图像经过置乱加密置换后得到的，并且由密钥控制，这样整个系统的安全性得到了提高。嵌入时先将载体图像做一次参数化整数小波提升，然后分别对HL2和LH2进行分块，每块大小2×2，故每4个小波系数对应一个水印图像像素。HL2和LH2子带都有128×128个系数，分块后变成64×64系数块与二值图像所对应，如图2所示。

图2 LH2和HL2各分为64×64个系数块

= 1,2,…,64，其中是阈值，它用于保证嵌入水印的最小修改量。

水印的嵌入过程如下：

1）将宿主图像I进行两层小波分解，采用LH2和HL2子带作为水印嵌入区域。得到的子带图像大小是128×128。二值水印图像大小是64×64。

我们增加LH2中子块的系数值，减小HL2中子块的系数值。修改公式如下：

上述公式满足各个系数之间的增加，或减少比例分配，从而避免了因系数修改过大，而造成图像的失真。把修改过的系数值分别代入(3),(4)中，得到¢()>¢()，()=1满足了嵌入条件。

首先减小LH2中子块的系数值，增加HL2中子块的系数值。修改公式如下：

在上述系数值的修改方法中，阈值是最小是实验修改量，主要是为了平衡图像质量与鲁棒性作用。越大则鲁棒性越好但是图像失真越厉害，相反，越小图像质量较好但图像的鲁棒性较差。大小可通过仿真实验来确定。

2.2 水印提取

水印提取是水印的逆步骤，在数字水印提取过程中，含水印图像首先进行小波变换，然后确定水印是嵌入在哪个子带，根据具体算法提取水印。整个水印提取过程不需要原始载体图像，数字水印的提取步骤如下（设含水印图像）:

1）对含水印图像进行二级小波变换，并选取子带和用于提取水印。

2）将所选取的子带和划分成64个2×2的图像子块，然后根据比较两个子带中的子块能量值大小关系来提取水印。设是提取出来的水印序列。具体提取规则如下：

3）将混乱不堪的二值水印图像序列进行解密变换，即通过二维Arnold变换得到二值水印图像。

3 性能分析及实验仿真

3.1 水印的透明性及JPEG压缩实验

为了验证本文所给小波域数字图像水印算法，给出以下原始图像Baboon (其大小为512´512)来验证实验结果，采用64´64的二值图像XHU作为水印图像。小波变换采用了Haar小波基，文章采用峰值信噪比(PSNR)评价了原始图像与含水印图像之间的差别，公式（7）定义PSNR；采用归一化相关系数(NC)分析了原始水印与提取水印的相似度，按公式(8)计算。

I，I分别为原始的和提取出的水印图像中坐标为(,)的像素值。

一般地讲，较大的PSNR说明含水印的图像非常类似于原始载体图像，表明该方法具有较好的不可感知性。接近1的NC值则说明该方法有较好的鲁棒性。

图3所示，给出了原始图像和嵌入水印后的图像，峰值信噪比 PSNR 为 44.21 dB。由此可见，该方法使水印具有较好的隐蔽性(图 3(c))。提取的水印(图 3(d))与原始水印完全相同(NC=1)。

图3 水印的嵌入与提取

图4是对含水印的图像进行不同 JPEG 压缩质量因子参数后所提取的水印。由图 4 可知，算法具有很强的抵抗 JPEG 压缩能力，对于质量因子在 50 以上的压缩都能够完全提取出水印，即使质量因子降低到 40，提取的水印仍可以较好地被识别(图 4(f))。由实验结果可知，水印JEPG压缩的能力随着阈值增加而提高，通过实验得出3比较理想。

图4 不同 JPEG 压缩质量参数下提取的水印

如图5 Baboon, Peppers原始图像及嵌入水印后图像做了比较，他们同时满足脆弱水印不可性的要求。

图5 不可见性测试

3.2 与其他算法的比较

如表2所示，本文方法与文献[9]所提方法进行比较。利用小波能量块在半脆弱水印的中的应用，进一步提高了JPEG压缩，压缩质量因子甚至达到30%都可以辨认水印信息。而文献[9]提出的算法压缩质量因子最多只能达到40%。同时本方法对一些常见的攻击具有高度敏感性，在试验中可以得到证明。

表2 本文方法与Huang提出方法抗JPEG压缩比较

4 结论

本文利用小波高频系数对JPEG压缩具较强的鲁棒性，提出新半脆弱水印算法，该算法具有以下特点:

(1)选择小波二级分解的高频子带中的水平高频(HL2)、垂直高频(LH2)。对两个子带系数进行分块求能量值，比较能量值大小关系来嵌入和提前水印。实验结果表明，该算法具有较好的抗 JPEG 压缩。

(2) 根据参数化小波分解图像，运算量小。水印嵌入之前先经过加密置乱，使攻击者在不知道小波分解参数和密钥情况下很难获得水印的任何信息。

(3)本文算法经过实验验证可以检测出图像中篡改内容的位置，并且可以对篡改的内容进行有效的恢复，同时能有效地抵抗常用的攻击。

下一步的研究工作将致力于自适应脆弱水印的研究，进一步提高算法的抗JPEG压缩能力。

[1] 罗大光.抗JPEG攻击的图像水印算法研究[D].成都:电子科技大学，2005.

[2] Lin C Y, Chang S F. A robust image authentication method distinguishing JPEG compression from malicious manipulation[C]. IEEE Trans on Circuits and Systems of Video Technology, 2001, 11(2): 153-168.

[3] Li C T. Digital fragile watermarking scheme for authentication of JPEG images[C]. IEE Proceedings-Vision, Image, and Signal Processing, Dec, 2004: 460-466.

[4] 方敏.JPEG 算法的研究与实现[D].沈阳:辽宁工程技术大学,2003.

[5] Zhang J, Zhang C T. Semi-Fragile watermarking for JPEG2000 image authentication[C]. ACTA Electronica Sinica, 2004, 32(1):157-160 (in Chinese with English abstract).

[6] Hu J Q. Fragile watermarking: Methods and applications [Ph.D. Thesis] [C]. Guangzhou: Sun Yat-Sen University, 2003 (in Chinese with English abstract).

[7] Hu JQ, Huang JW, Huang DR. A DWT based fragile watermarking tolerant of JPEG compression[C]. In: Proc. of Int’l Workshop on Digital Watermarking 2002. LNCS 2613, Berlin: Springer-Verlag, 2003: 179-188.

[8] Li C, Huang QW. A Semi-Fragile Image Watermarking Resisting to JPEG[J].Journal of software, 2006:17(2) 52-57 (in Chinese with English abstract).

[9] 王炳锡，陈琦.数字水印技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

A SEMI-FRAGILE IMAGE WATERMARKING RESISTING TO JPEG COMPRESSION

*WANG Xiang-qing，ZHANG Feng-hui，ZHAO Jiao-dong

(Institute of Information Engineering West Anhui University, Liuan, Anhui 237012, China)

Semi-Fragile watermark has attracted attention due to its important role in content authentication for multimedia. In order to differentiate incidental attacks and malicious attacks, semi-fragile watermark should be robust against content-protection image processing. Semi-fragile watermark resisting to JPEG compression while maintaining high detection ability to tamper has been the emphasis in the area. This algorithm of image wavelet coefficient LH2 and HL2 was blocked and computed each of block coefficient energy based on the relative energy relations embedded watermark. Simulation experiments prove that it will not degrade the objective and subjective quality of original images, the good robustness to JPEG and the larger amount of embedded information. What’s more, it can ascertain the position of vicious attack exactly.

semi-fragile watermark; JPEG; robust; wavelet high coefficient

TP309

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.01.013

1674-8085(2013)01-0058-05

2012-07-15；

2012-12-08

安徽省高校优秀青年人才基金项目(2010SQRL185）；安徽高等学校省级自然科学研究项目(KJ2009B051）；

六安市定向委托皖西学院市级研究项目(2011LW016)

*王祥青(1982-)，男，安徽六安人，助教，硕士，主要从事嵌入式应用及图像处理研究(E-mail:huashao94364574@qq.com);

张锋辉(1982-)，男，河南洛阳人，助教，硕士，主要从事嵌入式系统研究(E-mail: zfhiwillwin@163.com);

赵江东(1979-)，男，安徽舒城人，实验师，硕士，主要从事嵌入式系统及应用研究(E-mail: zhaojd@wxc.edu.cn).